探索EVAL-2EP130R-PR-SiC评估板：隔离栅极驱动器电源的理想之选

在电子工程师的日常工作中，评估板就像是我们探索新技术、验证新设计的得力助手。今天，我们就来深入了解一下英飞凌的EVAL-2EP130R-PR-SiC评估板，它专为碳化硅（SiC）MOSFET的隔离栅极驱动器电源设计，是一款功能强大且值得研究的工具。

文件下载：Infineon Technologies EVAL-2EP130R-PR-SiC 评估板.pdf

评估板概述

适用人群与用途

这份用户指南主要面向那些对开环架构的隔离栅极驱动器电源有一定了解的电气工程师。EVAL-2EP130R-PR-SiC评估板的设计初衷是帮助工程师评估全桥变压器驱动IC系列——2EP1xxR，它包含了所有必要的组件，为工程师提供了一个完整的验证平台。

交付内容与特性

交付的评估板尺寸为$90 ×37 mm^{2}$，其简化原理图展示了针对两个分离轨的峰值整流，每个轨都有正、负输出电压。评估板的主要特性包括：

• 宽输入电源范围：$VVDD$从5 V到20 V，能适应多种电源环境。
• 高输出功率：最高可达5 W（取决于占空比），满足不同负载需求。
• 双隔离输出电源轨：采用峰值整流拓扑结构，输出电压比可通过占空比调节。
• 宽频率工作范围：从50 kHz到695 kHz，可使用内部振荡器或外部脉冲宽度调制（PWM）。
• 保护功能齐全：具备可调节的过流阈值、电源输出短路保护、过温保护等功能。
• 状态指示：RDY状态输出指示正常运行，方便工程师监控。

产品变体

EiceDRIVER™ Power 2EP1xxR系列包含多个产品变体，如2EP100R、2EP101R、2EP110R和2EP130R，它们在频率、占空比、平均过流保护和旁路输入等方面存在差异，但引脚兼容，可在特定设计中通过匹配配置设置使用。其中，2EP130R预装在EVAL-2EP130R-PR-SiC上，可进行完整功能评估。

绝对最大额定值与推荐工作范围

评估板的参数必须符合绝对最大额定值，并在推荐工作范围内运行。例如，电源电压$VVDD$的绝对最大额定值为0 - 22 V，推荐工作范围为5 - 20 V。这些参数的明确规定有助于工程师正确使用评估板，避免因参数超出范围而损坏设备。

系统与功能描述

峰值整流拓扑原理

2EP1xxR的全桥功率级和峰值整流拓扑旨在提供两个隔离输出电压，每个变压器输出绕组支持正、负输出电压，其比值由占空比定义。具体来说，2EP130R根据配置的开关频率和占空比（DC）对施加的电源电压$VVDD$进行斩波，输出$OUT1$和$OUT2$的电压在$VDD$和$GND$之间切换，且$OUT2$的开关模式与$OUT1$相反，从而在输出端产生两倍于$VVDD$的振幅。

关键组件作用

• 串联电容器C1：它会根据占空比产生一个偏移量，该偏移量是计算输出电压的重要组成部分。在稳态运行期间，电容器电压$V{C 1}$的计算公式为$V{C 1}=V{VDD}left(1-frac{2 cdot DC}{100 %}right)$。由于2EP130R只允许占空比在10% - 50%之间，因此$V{C 1}$为正值，它能去除斩波电源电压中的直流分量，将对称峰值转换为不对称峰值电压。
• 变压器：根据变压器匝数比（TTR）将初级输入电压$PRI$转换到次级侧，次级变压器电压$V{SEC}$的计算公式为$V{SEC}=frac{V{PRI}}{TTR}= pm frac{V{DD}}{TTR}+frac{V{C 1}}{TTR}$。$V{C 1}$的偏移电压确保了初级绕组在接地电位上下的电压 - 时间乘积相等，从而防止变压器饱和。
• 峰值电流整流：在峰值整流电路中，由于二极管的存在，需要分别考虑各个电流路径。计算预期输出电容器电压时，应考虑次级变压器电压的匹配极性。正、负输出电压的计算公式分别为$V{CCx}=left(frac{V{DD}}{TRR}+frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$和$V{EEx}=-left(frac{V{DD}}{TRR}-frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$，其中$V_{F}$为二极管正向电压。

启动与参数调整

启动步骤

默认配置下，评估板的输入电压为15 V，双输出电压为 +18 V / -2.6 V，最大输出电流为120 mA，变压器匝数比为1.4:1，OCset级别为5，开关频率为65 kHz，占空比为14%，由内部生成。启动步骤如下：

1. 将负载连接到X10/X11和X20/X21连接器的隔离变压器输出端子，注意极性。
2. 在X1/X2连接器的相应端子之间连接15 V正电源电压。
3. 观察RDY LED指示灯，若指示灯亮起，表示2EP130R已准备就绪；若未亮起，可能是电源连接不正确、仍处于启动模式（软启动）或处于故障模式（过流或过温）。

参数调整

2EP130R提供三个输入引脚，可通过电阻$R1$、$R2$和$R3$分别配置开关频率、占空比和平均过流保护。例如，电阻$R1$设置过流阈值，默认值为$47500 Omega$，OCset级别为5；电阻$R2$设置频率，默认值为$698 Omega$，开关频率为65 kHz；电阻$R3$设置占空比，默认值为$698 Omega$，占空比为14%。工程师可根据需要从E96系列中选择合适的电阻值进行参数调整。

旁路模式操作

2EP130R支持旁路模式操作，在该模式下，它会跟随FREQ/BYP引脚处的外部脉冲宽度调制（PWM）信号来确定频率和占空比。启动时，IC会遵循内部软启动序列，在此期间频率和单个脉冲长度会与外部施加的PWM信号有所偏差。为确保正常启动，施加的开关频率应保持恒定，变压器驱动器会在启动序列的最后时刻与该频率同步。若要在旁路模式下操作评估板，需对默认组件进行修改，如将DC引脚处的电阻$R3$改为$0 Omega$，移除FREQ/BYP引脚处的电阻$R2$，并在R8处组装$0 Omega$电阻以连接X2.BYP引脚和FREQ/BYP引脚。同时，要确保外部频率在2EP130R的频率和占空比范围内。

应用案例：SiC MOSFET电源示例

以获得适合SiC MOSFET的输出电压为目标，我们可以根据相关公式计算占空比和变压器匝数比。假设输入电源电压$V{DD}=15 V$，标称目标正输出电压$V{CCx}=18 V$，标称目标负输出电压$V{EEx}=-2.5 V$，预期二极管正向电压$V{F}=0.4 V$。

• 占空比计算：通过公式$DC=1-frac{V{CCx}+V{F}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$计算得出$DC=0.136$，由于2EP要求占空比为整数，因此选择$DC{selected}=14%$。根据2EP1xxR数据表中的电阻选择表，该占空比设置需要在$DC$引脚处使用$698 Omega$的电阻。
• 变压器匝数比计算：使用公式$TTR=frac{2 cdot V{DD}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$计算得出$TTR=1.41$，选择$TTR_{selected}=1.4$，这与Würth Elektronik变压器（部件号750319377）的匝数比相近。
• 验证选择：计算得到的输出电压$V{CC}=18.03 V$，$V{EE}=-2.60 V$，与目标值非常接近，正输出电压偏差仅为0.2%，负输出电压偏差为4%。需要注意的是，由于2EP1xxR是开环变压器驱动器，实际输出电压还会受到输入电压稳定性和负载条件的影响。

系统设计

原理图与布局

原理图采用默认电阻值，用于设置平均过流级别为5和目标开关频率为65 kHz。在变压器匝数比为1.4:1、占空比为14%的情况下，输入电压为15 V时，可产生约18 V的正输出电压和 -2.6 V的负输出电压。评估板的尺寸约为$91 ×37 mm^{2}$，采用两层PCB，标准铜厚度为1 oz。顶层用于布线，底层主要由三个GND平面组成，也可采用单层设计。

物料清单与连接器细节

完整的物料清单可在英飞凌主页的下载部分获取，需要登录凭证。评估板的主要部件包括电阻$R1$、$R2$、$R3$，变压器$TR1$和全桥变压器驱动器$U1$。连接器的详细信息如下：

• X1：输入电源（备用连接器），包含GND和VDD引脚。
• X2：输入侧信号和电源，包含GND、VDD、BYP、RDY等引脚。
• X10和X11：输出电源轨1，包含VCC1、GND1、VEE1引脚。
• X20和X21：输出电源轨2，包含VCC2、GND2、VEE2引脚。

系统性能

效率

效率测量记录了稳态运行期间的输出电压和电流，并将其与2EP的输入电压和电流进行比较。测量结果表明，效率曲线会因输入电压、开关频率、占空比和变压器组件选择等不同运行条件而变化。本次测量在15 V、80 kHz、12%占空比的条件下，使用Würth Elektronik的变压器750319377进行。

开关波形与启动行为

启动时，2EP1xxR先以启动峰值电流模式运行，达到目标占空比且未触发峰值电流限制后，会将开关频率与配置频率同步。达到目标频率后，释放RDY引脚以指示启动成功。输出电压的启动行为表现为，$RDY$信号会短暂跟随输入电源电压$VDD$，直到内部欠压锁定（UVLO）电路激活并将$RDY$信号拉至GND电平，内部启动阶段结束后，2EP1xxR释放$RDY$信号。

输出电压纹波

由于所选占空比的原因，$VCCx$的输出电压纹波幅度较高。在两个输出电平负载恒定的情况下，与$VEEx$的输出电容器相比，2EP1xxR需要在更短的时间内对$VCCx$的输出电容器进行充电。本次测量展示了负载电流约为30 mA时的输出纹波情况。

附加信息

可订购部件号

提供了不同类型评估板的可订购部件号，如EVAL-2EP130R-PR、EVAL-2EP130R-PR-SiG和EVAL-2EP130R-VD，分别适用于不同的应用场景。

兼容栅极驱动器评估板

列出了一系列兼容的栅极驱动器评估板，包括EVAL-1ED3121MX12H、EVAL-1ED3122MX12H等，为工程师提供了更多的选择和搭配方案。

总结

EVAL-2EP130R-PR-SiC评估板为工程师提供了一个全面的平台，用于评估和设计碳化硅MOSFET的隔离栅极驱动器电源。通过深入了解其原理、功能、设计和性能，工程师可以更好地利用该评估板进行产品开发和优化。在实际应用中，我们还需要根据具体需求进行参数调整和功能验证，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。